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《GSM基础知识》学生手册

GSM基础知识

目录

第一章GSM系统概况4

第一节GSM系统简介4

一GSM系统组成4

二GSM的基本特点5

三GSM系统发展概况7

第二节GSM网络结构概述7

一　GSM网络结构介绍7

二　网元功能介绍7

三　常用接口简介11

第二章GSM网络基本概念12

第一节编号计划12

一　国际移动客户识别码（IMSI）12

二　移动台ISDN号码（MSISDN）12

三　移动客户漫游号码（MSRN）13

四　临时移动客户识别码（TMSI）13

五位置区识别码（LAI）13

六全球小区识别码（CGI）13

七基站识别码（BSIC）14

八　国际移动台设备识别码（IMEI）14

第二节移动性管理14

一　位置区14

二　位置更新16

三　切换18

四　漫游21

第三节安全性管理22

一　鉴权22

二加密23

三IMEICHECK24

四TMSI25

五PIN和PUK25

第三章GSM业务介绍26

第一节GSM系统的业务分类和特征26

一　业务分类26

二　业务特征26

第二节基本业务呼叫流程28

一　MOC和MTC28

二　SMS_MO和SMS_MT28

第四章GSM无线网络概述31

第一节频率/时间分隔蜂窝系统31

一小区结构和载频复用31

二　工作频带和载频间隔32

第二节多址连接技术和帧结构33

一频分多址（FDMA）35

二时分多址（TDMA）35

三　帧的结构36

第三节数字信号与信号的调制37

一数字信号37

二　信号的调制37

第四节信道和突发脉冲序列38

一　信道38

二突发脉冲序列40

第一章GSM系统概况

第一节GSM系统简介

一GSM系统组成

GSM网络是由三个子系统组成的，它们是：

网络交换子系统（NSS）、基站子系统（BSS）、网络管理子系统（NMS）。

1．网络交换子系统（NSS）

包括移动业务交换中心（MSC），本地位置寄存器（HLR），拜访位置寄存器（VLR），鉴权中心（AC），设备识别寄存器（EIR）。

主要功能：

呼叫控制，移动性管理，安全性管理，计费。

2．基站子系统（BSS）

基站控制器（BSC），基站收发器（BTS），传输码变换器（TC）。

主要功能：

无线网控制和管理，话音代码转换，AIR空中接口信令和数据处理，支持A接口和空中接口

3．网络管理子系统（NMS）

功能：

NMS是网络中与运行维护相关部分，用于对整个网络的管理。

通常包括：

故障管理：

从网络组件收集告警报告，所有故障情况管理的一个点。

配置管理：

无线网配置管理，保持忙于网络组件状态的数据信息。

性能管理：

从网络组件中收集测量数据，从原始数据中产生性能结果。

图1-1NOKIAMSC机架示意图

图1-2机房示意图

二GSM的基本特点

1．具有开放的接口和通用的接口标准

这一特点是GSM生命得以延续的保证。

1985年，GSM划分成多个独立工作组（WP），处理各专项工作，WP3专门完成诸如网络结构、信令协议以及开放的网络接口等，不仅限于空中接口，并且还包括系统内部、网络之间的各个接口，提供了高度标准化、接口优化的网络。

GSM标准以ITU的规定为基础，与PSTN、ISDN等公众电信网有完备的互通能力。

适应数字化发展的需要。

使其具有自我发展的能力。

2．用户权利的保护和传输信息的加密。

GSM系统使用若干注册用户的特征号码，例如IMSI、TMSI、IMEI、LAI等，用于鉴权，证实用户是否有权入网，以及位置登记，用户信息保密等。

每个GSM系统的注册用户获得一张SIM（SubscriberIdentityModule）卡，存储标志用户特征的号码（特征号码）、注册参数和与鉴权和加密有关的用户的全部信息

3．支持电信业务、承载业务和补充业务。

电信业务包括电话、短信息、可视图文、G3类传真、紧急呼叫等，是GSM的主要业务。

跟ISDN定义一样，GSM承接业务不需要Modem就能提供数据业务，包括300~9600bits/s的电路交换异步数据、1200~9600bits/s的电路交换同步数据和300~9600bits/s分组交换异步数据。

GSM的补充业务名目繁多，多达数十种，我们在下面的章节会有详细的介绍。

4.具有跨国漫游能力。

GSM系统漫游是在SIM卡及国际移动用户识别码（IMSI）的基础上实现的。

实际上，用户不必携带终端设备（如手机）而只需带着SIM卡进入其它国家，租借终端设备，仍可实现用户号码不变、计费帐号不变。

漫游是移动通信的一个特征，当各运营商网络之间达成某些协议后，用户可以从一个网络进入另一个网络且网络自动地提供服务。

5.容量增大为模拟系统的（3~5）倍。

容量增大的关键因素是对系统载噪比的要求降低为9dB，之所以同频复用模式典型地为4/12或3/9，甚至可以更小；半速率话音编码的实现，使GSM系统容量增大。

6.频谱效率提高。

由于采用了窄带调制、信道编码、交织、均衡和话音编码技术等，频率重复利用率高，组网灵活方便7抗干扰能力强，覆盖区内通信质量好。

三GSM系统发展概况

1．1982年：

欧洲邮电行政大会设立“移动通信特别小组”，即GSM。

2．1986年：

进行现场试验

3．1987年：

作出技术选择

4．1988年：

十八个欧洲国家达成GSM谅解备忘录

5．1989年：

GSM标准生效

6．1991年：

GSM系统正式在欧洲问世，网路开通运行。

从此，移动通信跨入了第二代。

第二节GSM网络结构概述

一　GSM网络结构介绍

图1-3GSM网络结构图

二　网元功能介绍

1．MobileStation（MS）

移动台（MS）是GSM移动通信网中用户所使用的设备，也是用户能够接触到整个GSM系统中的唯一设备,它由两部分组成:

（1）智能部件-----用户识别模块（SubscriberIdentityModule,SIM卡）

（2）移动台物理设备（MobileEquipment,ME）

2．SubscriberIdentityModule（SIM卡）

SIM卡是提供加密算法和制订用户资料的智能卡（smartcard）,存储用户所有信息.主要功能是识别MS的当前用户.参与鉴权和加密过程.此外也存储用户的个人信息、如电话本等.具体功能如下:

（1）固化数据存储:

InternationalMobileSubscriberIdentity（IMSI）、Authenticationkey（Ki）、A3和A8算法。

（2）临时的网络数据存储:

当前LocationAreaIdentity（LAI）、encryptionkey（Kc）、TMSI（TemporaryMobileSubscriberIdentity）等。

（3）用户个人信息存储:

电话本、短信息、图片、音乐等。

（4）参与实现安全性和移动性处理的过程。

如鉴权、位置登记、Kc的产生等。

3．MobileEquipment（ME）

通过使用PIN（PersonalIdentityNumber）认证后，才能对SIM卡进行操作。

移动台物理设备（ME）提供无线接入，是一个网络与用户之间的人机接口，使用户能够使用网络所提供的各种业务。

具体功能如下：

（1）无线信号的发送、接收和信号处理。

（2）完成与无线信号相关的操作：

功率控制（powercontrol,PC）、不连续传输（discontinuoustransmission,DTX）、跳频（slowfrequencyhopping，SFH）.

（3）呼叫处理

（4）提供外部接口．

4．BaseTransceiverStation（BTS）

基站收发信台（BTS）提供GSM网络无线信号的覆盖。

其组成包括：

天线、无线信号发送和接收设备、信号处理设备等。

它由基站控制器（BSC）控制，它是工作在某个小区的无线收发信设备，用于接收来自移动台的信号，并通过它发送信号给移动台,从而完成BSC与无线信道之间的信号转换。

具体功能如下：

（1）天线接收和发送。

（2）无线信号收发和信号处理。

（3）完成与无线信号相关的操作：

功率控制（powercontrol,PC）、不连续传输（discontinuoustransmission,DTX）、跳频（slowfrequencyhopping，SFH）、语音加密（ciphering）。

5．BaseStationController（BSC）

基站控制器（BSC）在BSS子系统内充当控制器和话务集中器，它主要负责管理BTS，而且当BSC与MSC之间的信道阻塞时，由它进行指示。

它同时具有对各种信道的资源管理、操作维护、观察测量和统计、功率控制、切换等功能。

6．TranscoderSubmultiplexer（TC）

编解码/复用器主要功能是实现码型变换和速率适配。

例如，将13kbit/s语音信号转换成64kbit/s语音信号，反之依然。

提供各种类型语音编码方案。

如全速率FullRate（FR）,半速率HalfRate（HR）和增强型全速率EnhancedFullRate（EFR）。

7．MobileSwitchingCentre（MSC）

移动业务交换中心（MSC）是网络的核心，完成位置登记、越区切换和自动漫游等移动管理工作。

具有呼叫处理、路由选择、计费、回声抑制、超符合控制等功能；支持信道管理、数据传输以及包括鉴权、信息加密、移动台设备识别等安全保密功能。

MSC可支持移动用户各种电信业务和承载业务，以及补充业务。

与固定网连接的MSC称为移动关口局（GMSC）。

当固定网用户呼叫GSM移动用户时，此呼叫首先被接入到GMSC，由其进行呼叫处理、路由选择等工作完成此次呼叫。

它是移动网络与固定网络的接口。

8．VisitorLocationRegister（VLR）

访问用户位置寄存器（VLR）是为其控制区域内的移动用户服务，存储进入其控制区域内已登记的移动用户相关数据。

如：

用户的IMSI,当前LAI,用户定制的各种基本业务和补充业务等。

这些数据是从该移动用户所在的归属位置寄存器（HLR）处获得，一旦用户离开该VLR的控制区域，则删除其存储在VLR中该移动用户的数据。

VLR可看作一个动态的用户数据库。

主要功能如下:

（1）移动性管理：

1位置登记

2IMSIattach和IMSIdetach.

（2）参与呼叫处理

①MOC和MTC

②去话呼出限制服务

③有条件呼叫转移服务,呼叫等待服务等

④短信息SMS-MO,SMS-MT.

（3）参与安全性处理

①向AUC请求鉴权三参数组（triplets）

②TMSI的使用

③执行鉴权过程

④TMSI的使用

⑤启动加密

⑥启动IMEIchecking和跟踪

MSC会经常从VLR提取大量的用户数据，为了提高各项管理和呼叫建立的速度，目前两者是集成一体的（MSC/VLR）。

9．HomeLocationRegister（HLR）

归属用户位置寄存器（HLR）是GSM系统的中央数据库，存储移动用户的静态数据。

包括移动用户识别号码、访问能力、用户基本和补充业务等数据，同时还存储着与归属用户有关的动态数据，如用户目前所在的MSC/VLR地址等。

HLR为每个归属用户至少存储五组可用的鉴权三参数组（RAND/SRES/KC），任何时间都能根据MSC/VLR的请求而提供使用，进行鉴权。

HLR也参与呼叫处理，例如：

（1）MTC，SMS-MT路由查询

（2）来话呼叫限制服务

（3）无条件呼叫转移服务

（4）附加业务的激活

（5）附加业务信息的修改

10．AuthenticationCentre（AC）

鉴权中心（AC）也是一个用户静态数据库，存储着用户鉴权使用的算法和加密密钥（Ki），通过A3和A8算法为数据库中的用户产生鉴权三参数组（triplets），用来防止无权用户接入系统和保证通过无线接口的移动用户通信的安全。

三参数组产生后存于HLR中。

当需要鉴权时，由MS所在服务区的MSC/VLR从HLR中装载至少一套三参数组为此MS服务。

具体到某次鉴权时，如果此时VLR中还有该MS的三参数组，则HLR不参与鉴权过程，VLR直接向MS下发鉴权命令；如果VLR中已经没有该MS的三参数组，则需首先向HLR取三参数组。

11．EquipmentIdentityRegister（EIR）

移动设备识别寄存器（EIR）是一种静态数据库，按照白色列表、黑色列表和灰色列表存储着用户的移动设备的国际移动设备识别码（IMEI）。

它将用户提供的移动设备IMEI号码与它所存储在列表中的IMEI进行对照，根据用户所属列表得出以下结果：

（1）白色列表-------准许使用

（2）黑色列表-------不准使用

（3）灰色列表--------异常需要监视

目前AUC和EIR集成在HLR中。

三　常用接口简介

图1-4GSM网络接口图

1．A接口

NSS与BSS之间的接口，物理链接通过标准的2.048Mb/sPCM数字传输链路来实现。

2．Abis接口

BSC与BTS之间的接口，物理链接通过标准的2.048Mb/s或64kb/sPCM数字传输链路来实现。

3．Um接口（空中接口）

BTS与MS之间的接口，物理链接通过无线链路来实现。

GSM规定了两个真正开发的接口：

空中接口和A接口

第二章GSM网络基本概念

第一节编号计划

一　国际移动客户识别码（IMSI）

1．特定的客户识别码，在GSM网络中对应唯一用户

2．IMSI号码结构：

MCC+MNC+MSIN

（1）MCC=移动国家号码

（2）MNC=移动网号

（3）MSIN=移动客户识别码

3．作用：

在gsm网络中唯一识别用户，用于GSM网所有信令中，存储在SIM卡、HLR和VLR中。

二　移动台ISDN号码（MSISDN）

1．MSISDN是指主叫客户为呼叫数字公用陆地蜂窝移动通信网中的客户所需拨的号码。

2．号码的结构：

CC+NDC+SN

（1）CC=国家码

（2）NDC=国内目的地码

（3）SN=客户号码

3．作用：

识别用户、代表用户使用何种业务，存储在HLRVLR中。

三　移动客户漫游号码（MSRN）

1．作用：

用于选择路由的临时号码，路由一旦建立，此号码就可立即释放。

2．区别：

MSISDN与MSRN结构相同，但用于不同目的。

MSISDN用于查询HLR而MSRN是服务的MSC/VLR所给予的响应，用于呼叫路由。

MSRN中的SN是一个临时与IMSI相关的内部号，它不仅识别用户也指向它本身的交换机。

MSRN是临时的。

MSISDN中的SN是指向HLR中的数据库，MSRN的SN是指向VLR中的数据库。

四　临时移动客户识别码（TMSI）

为了对IMSI保密，MSC/VLR可给来访移动客户分配一个唯一的TMSI号码。

它由MSC自行分配，仅限在本MSC业务区内使用。

存储在VLR、SIM中。

五位置区识别码（LAI）

1．用于移动客户的位置更新

2．号码结构：

MCC+MNC+LAC

（1）MCC=移动客户国家码

（2）MNC=移动网号

（3）LAC=位置区号码

作用：

识别一个用户当前登记的位置、寻呼用户，它可能有一个或多个CELL组成。

存储在VLR、SIM中。

六全球小区识别码（CGI）

1．CGI用来识别一个位置区内的小区

2．结构：

MCC+MNC+LAC+CI

（1）CI=小区号，最大16bit。

七基站识别码（BSIC）

1．作用：

BSIC是用于识别相邻网络的相邻基站的，为6bit编码。

2．结构为：

NCC+BCC

（1）NCC=网络色码

（2）BCC=基站色码

八　国际移动台设备识别码（IMEI）

1．作用：

唯一地识别一个移动台设备的编码，为一个15位的十进制数字。

第二节移动性管理

一　位置区

在了解位置登记之前，我们首先要清楚位置区这一概念，这就要牵涉到区域的划分问题。

在小区制移动通信网中，基站设置了很多，移动台又没有固定的位置，移动用户只要在服务区域内，无论移动到何处，移动通信网必须能跟踪到移动台所在的位置以进行交换控制，从而实现位置更新、越区切换和自动漫游等网络功能。

图2-1位置区示意图

由GSM系统组成的移动通信网络区域有以下的组成部分:

1．服务区

　　服务区是指移动台可获得服务的区域，即不同的通信网（如PLMN、PSTN或ISDN）用户无需知道移动台的实际位置而可与之通信的区域。

一个服务区可由一个或若干个公用陆地移动通信网（PLMN）组成，可以是一个国家或是一个国家的一部分，也可以是若干个国家。

2．公用陆地移动通信网（PLMN）

　　PLMN是一个提供通信业务的地理区域，它可以认为与ISDN网或PSTN公共电话网并列，也可以说是它们的扩展。

一个PLMN区可由一个或若干个移动业务交换中心（MSC）组成，在该区内具有共同的编号制度和共同的路由计划。

3．MSC区

　　MSC是由一个移动业务交换中心控制的所有小区共同覆盖的区域，它构成PLMN网的一部分。

一个MSC区可以由一个或若干个位置区组成。

4．位置区

　　位置区是指移动台可以任意移动，不需要进行位置更新的区域。

位置区可由一个或若干个小区（或基站区）组成。

为了呼叫移动台，可在一个位置区内向所有基站同时发出寻呼信号。

5．基站区

　　由置于同一个基站点的一个或若干个基站收发信台（BTS）包括的所有小区所覆盖的区域叫一个基站区。

也就是说，每一个正六边形的小区称为一个基站区。

6．小区

　　小区是采用基站识别码或全球小区识别码进行标识的无线覆盖区域。

在采用全向天线结构的模拟网中，小区即为基站区，在采用120度角天线结构的GSM数字移动网中，小区是每个120度角的天线所覆盖的正六边形区域的三分之一。

而基站区正是由三个小区组成的正六边形区域。

二　位置更新

1．定义：

当移动台出于某种需要或发现其存储的LAI与接收当前小区的LAI号发生变化时,就必须通知网络来更改所存储的移动台的位置信息,这个过程就是位置更新。

2．位置更新类型：

（1）根据网络标识分为：

①一般位置更新

②周期性位置更新

③位置登记

（2）根据位置变化分为：

①同一个VLR

②不同VLR

3．基本概念：

（1）一般位置更新：

在空闲模式下，手机总是在听最近的基站发出的广播消息，这些消息中有位置区的信息，手机比较SIM卡中存储的LAI和接收到的LAI，如果不一样，手机开始做位置更新，成功后SIM卡中存储新的LAI。

这种情况发生在手机从一个位置区移动到另外一个位置区。

（2）周期性位置更新：

周期性位置更新的时间记录在手机的SIM卡中，使用这个值使手机周期性的进行位置更新，周期性位置更新时间由运营商自己决定。

当网络在一个特定时间内没有收到任何来自移动台的位置更新请求，就执行周期位置更新。

（3）位置登记：

当手机开机，手机开始IMSIattach过程。

换句话说，手机通知网络它已经进入激活状态。

VLR将移去IMSIdetach标志。

4．流程举例：

图2-2interVLRlocationupdate过程

（1）MS向新的VLR发LU请求（TMSI+LAI）

（2）VLR（新）从最后一次接收到的LAI中找到VLR（旧）地址

（3）VLR（新）通过TMSI向VLR（旧）要用户数据

（4）VLR（旧）传送用户数据（IMSI和鉴权三参数）

（5）开始鉴权

（6）鉴权通过，VLR（新）通过IMSI向HLR要完整的用户数据

（7）HLR送用户数据至VLR（新）

（8）HLR纪录VLR（新）地址，同时通知VLR（旧）删除用户数据

（9）VLR（新）向MS送认知信号，将TMSI和LAI存入SIM

5．问题讨论：

手机何时发送IMSI进行位置更新？

手机发送IMSI进行位置更新的几种情况：

（1）一个新用户第一次开机。

（2）手机从一个PLMN到另外一个PLMN。

（3）手机从一个VLR到另外一个VLR，旧VLR发生了重启。

（4）手机从VLR中删除。

三　切换

1．定义

切换（Handover）是指将一个正在进行中的呼叫从一个无线信道切换到另一个无线信道，以保证呼叫不中断。

切换允许在不同的小区之间进行，也就是通常所说的越区切换；也允许在同一个小区的不同无线信道之间进行。

触发切换的原因：

（1）预防性功率预算切换

（2）救援性电平切换

（3）救援性质量切换

（4）距离切换

（5）话务切换

2．分类

根据切换在时隙、载频、小区、BSC或MSC等不同实体之间发生，可把切换分为下面5种情况：

（1）小区内部切换：

指同一小区内（同一基站收发信台）的物理信道之间的切换，包括在同一载频或不同载频的时隙之间切换。

在下列两种条件下可采用此类切换：

①正在通信的物理信道受到干扰，通话无法进行下去。

②由于维护等原因，正在通信的物理信道或载频单元必须退出服务。

（2）小区之间切换（BSC内部切换）：

指同一基站控制器BSC控制的不同小区之间的信道切换。

（3）BSC之间切换（MSC内部切换）：

指同一移动业务交换中心MSC所控制的不同基站子系统之间的信道切换。

（4）MSC之间切换（PLMN内部切换）：

指同一公用陆地移动通信网PLMN覆盖的不同移动业务交换中心MSC之间的信道切换。

此类切换可分为两种：

①基本切换过程：

呼叫从起始建立的那个MSC-A切换到另一个MSC-B。

②后续切换过程：

呼叫从起始建立的那个MSC-A切换到另一个MSC-B后，再从MSC-B切换到第三个MSC-C或切换回MSC-A。

（5）PLMN之间切换：

指不同公用陆地移动通信网PLMN之间的信道切换。

从技术角度考虑，这种切换是可行的，但从运营部门的管理角度考虑，这种切换涉及到在不同国家之间进行的话，也许会受到限制。

3．切换举例

（1）同一BSC内不同小区间的切换：

在BSC控制范围内切换要求BSC建立与新的基站之间的链路，并在新的小区基站分配一个业务信道。

网络MSC对这种切换不作控制。

（2）同一MSC/VLR内不同BSC控制的小区间的切换：

当原BSC决定切换时，需要向MSC请求切换，然后再建立MSC与新的BSC、新的BTS的链路，选择并保留新小区空闲业务信道供移动台切换后使用；最后命令移动台切换到新频率的新的业务信道上。

切换成功后移动台同样需要了解周围小区的信息，若位置区发生了变化，呼叫完成后必须进行位置更新。

图2-4同一MSC/VLR内不同BSC控制的小区间的切换

（3）不同MSC/VLR控制的小区间的切换：

当移动台从正在为其服务的原MSC的区域移动到另一个MSC管辖的区域时，（称此时的MSC为目标MSC），目标MSC要向原MSC提供一路由信息以建立两个移动交换机的连接，这个路由信息由切换号码HON（HandoverNumber）提供。

图2-5不同MSC/VLR控制的小区间的切换

4．流程举例：

图2-6InterVLRhandover过程

（1）BSC向自己的MSC（旧）发起handover请求（送过来我想去的小区的CGI）

（2）MSC分析CGI，找到想要去的交换机（新）

（3）向新交换机发起handover请求

（4）